7. Cząstki elementarne

Cząstki elementarne to takie obiekty, które nie posiadają struktury wewnętrznej. 

 W przyrodzie wyróżnić można cztery rodzaje oddziaływań odpowiedzialnych za całą różnorodność procesów fizycznych: grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe i silne. Oddziaływania te oraz ich nośniki wymienione są w tabeli 5.7.1. Nośnik oddziaływania stanowi podstawowy element opisu tzw. oddziaływań wymiennych. W ramach tego opisu oddziaływanie pomiędzy dwoma obiektami odbywa się za pośrednictwem pewnej cząstki - nośnika oddziaływania. Można to zilustrować poglądowo rozważając rzucenie piłki przez jedną osobę i pochwycenie jej przez drugą. Pierwsza osoba oddziałuje na osobę drugą przekazując jej pewien pęd za pośrednictwem piłki - nośnika oddziaływania. Zasięg oddziaływania związany jest z masą cząstki będącej jego nośnikiem. Rzeczywiście - kreacja cząstki, choć możliwa bo E=mc², to oznacza naruszenie zasady zachowania energii. Jeśli jednak naruszenie to trwa na tyle krótko, by spełniona była zasada nieoznaczoności Heisenberga, tj. iloczyn nieokreśloności energii i nieokreśloności czasu był rzędu stałej Plancka, wtedy proces może zajść. Mówimy jednak, że cząstka taka jest poza powłoką masy, i nazywamy ją - wirtualną. 

Nieskończony zasięg oddziaływań odpowiada zerowej masie nośnika. Nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych o zasięgu nieskończonym są fotony, których masa równa jest zeru. Podobnie oczekujemy, że masa nośnika oddziaływań grawitacyjnych będzie równa zeru, ale nośnik tych oddziaływań - grawiton pozostaje wciąż cząstką hipotetyczną nie zidentyfikowaną doświadczalnie. Masy nośników oddziaływań słabych, tzw. bozonów pośredniczących są bardzo duże, co wiąże się z bardzo małym zasięgiem tych oddziaływań. Nośniki oddziaływań silnych (gluony) są bezmasowe, podobnie jak fotony, ale oddziaływania silne są zasadniczo różne od oddziaływań elektromagnetycznych. Zwróćmy też uwagę, że fotony są nośnikami oddziaływań pomiędzy ładunkami elektrycznymi, ale same są neutralne, tj nie przenoszą ładunku elektrycznego, gluony zaś przenoszą ładunki kolorowe pomiędzy kwarkami. Kolorowe oddziaływania kwarków i gluonów opisywane są przez teorię zwaną chromodynamiką kwantową, QCD (Quantum Chromo Dynamics). 

Tabela 5.7.1.

Oddziaływania fundamentalne i ich nośniki
Nośnik oddziaływania		Ładunek elektr.	Masa*c^2 (GeV)	Rodzaj oddziaływania	Zasięg	Względne natężenie
grawiton (hipotetyczny)		0	0	grawitacyjne	nieskończony	10^-38
foton		0	0	elektro- magnetyczne	nieskończony	10^-2
bozony pośredniczące	W^+	+1	80.2	słabe	10^-18m	10^-5
		W^-	-1				80.2
		Z^0	0				91.2
8 gluonów		0	0*	silne	10^-15m	1

(* - jest to wartość teoretyczna, masa rzedu kilku MeV/c², nie jest wykluczona)

 Aktualna lista cząstek elementarnych zawiera dwie podstawowe ich klasy: leptony i kwarki.  Leptony są cząstkami nie uczestniczącymi w oddziaływaniach silnych. Nie tworzą wiec struktur bardziej złożonych. Leptonom przypisuje się wielkość zwaną liczbą leptonową, która może być trzech rodzajów: elektronowa, mionowa, taonowa. Nazwy te wiążą się z nazwami leptonów wymienionych w tabeli 5.7.2. Liczby te równe są +1 dla danego typu leptonów  oraz -1 dla odpowiadających im antyleptonów. Obowiązuje zasada zachowania liczby leptonowej, a dokładniej mówiąc liczb: elektronowej, mionowej i taonowej. Zasada ta mówi, że sumaryczna liczba leptonów i antyleptonów danego typu przed reakcją i po reakcji musi być taka sama.

 Kwarki stanowią podstawowy "budulec" obiektów materialnych. Są cząstkami podlegającymi wszystkim rodzajom oddziaływań. Oddziaływania silne pomiędzy kwarkami  przenoszone są za pośrednictwem gluonów. Masy kwarków mają podane jedynie przybliżone zakresy wartości, co wynika z faktu, że kwarków nie obserwuje się w stanie swobodnym i pojecie masy ma dla nich inne znaczenie niż dla cząstek  swobodnych. 

Tabela 5.7.2.

Leptony					Kwarki
Nazwa	Symbol	Masa  (MeV)	Czas życia (s)	Ładunek elektr.	Nazwa	Symbol	Masa (GeV/c^2)	Ładunek elektr.
elektron	e	0.511	trwały	-1	up (górny)	u	0.002÷ 0.008	2/3
neutrino elektronowe	e	<7.3 *10^-6	trwałe	0	down  (dolny)	d	0.005÷  0.015	-1/3
mion		105.66	2.197 *10^-6	-1	strange (dziwny)	s	100 ÷ 300	-1/3
neutrino mionowe		<0.25	trwałe	0	charm (powabny)	c	1.3÷1.7	2/3
tau		1784.1	3.1 *10^-13	-1	bottom/ beauty (piękny)	b	4.7÷5.3	-1/3
neutrino taonowe		<70	trwałe	0	top/truth (prawdziwy)	t	>170	2/3

Najprostsze struktury zbudowane z kwarków, to hadrony - cząstki złożone, uczestniczące w oddziaływaniach silnych. Jedne z nich - mezony, składają się z par kwark-antykwark, na przykład mezon
składa się z pary
, a jego antycząstka - mezon
składa się z pary
. Neutralny mezon
jest kwantową superpozycja układów kwarkowych
. Mezony mają spin całkowity, więc w  mechanice kwantowej opisywane są funkcjami symetrycznymi, podlegając statystyce kwantowej Bosego-Einsteina. Zaliczane są więc do klasy cząstek zwanych bozonami.

Druga klasa hadronów to bariony, które składają się z trójek kwarków. Jako przykład można podać skład kwarkowy protonu
i neutronu
. Bariony maja spin połówkowy, opisywane są funkcjami antysymetrycznymi i  podlegają statystyce kwantowej Fermiego-Diraca. Zaliczane są wiec do klasy cząstek zwanych fermionami. Barionom przypisujemy liczbę kwantową zwaną liczbą barionową. Obowiązuje zasada zachowania liczby barionowej mówiąca, że sumaryczna liczba barionów i antybarionów przed reakcją  musi być równa ich sumarycznej liczbie po reakcji.  

Poniżej przypominamy listę hadronów, które nie rozpadają się przez oddziaływania silne. Te, które rozpadają się przez oddziaływania silne noszą nazwę rezonansów. Jest ich o wiele więcej, a ich spis publikowany jest periodycznie jako oddzielny numer czasopisma Physical  Review D.

Tabela 5.7.3.

Mezony
Nazwa cząstki	Symbol (antycząstka)	Masa (MeV)	Czas życia (s)	Schematy rozpadu	Procent (%)
pion naładowany	 ^ ( ^	139.57	2.6*10^-8	 ^++	98.8
pion neutralny	 ^( ^	134.98	0,8x10^-16	γ + γ e^++ e^-+ γ	98.8 1.2
kaon naładowany	( )	493.68	1,2x10^-8	 ^++  ^++  ^0  ^++  ^++ 	63.5 21.2 5.6
kaon neutralny	( )	497.67	0.9x10^-10( ) 5.2x10^-8( )	 ^++  ^-  ^0+  ^0  ^0+  ^0+  ^0  ^++  ^-+  ^0  +  +  + e +	68.6 31.4 21.1 12.6 27.2 38.8
mezon 	 ^( ^	547.30	2,4x10^-19	γ + γ  ^0+  ^0+  ^0  ^++  ^-+  ^0  ^++  ^-+ γ	39.2 32.2 23.1 4.8
Bariony
proton	p( )	938.27	trwały
neutron	n( )	939.56	0.9*10^3	+ e^-+	100
hiperon	( )	1115.68	2,6x10^-10	+  ^- +  ^0	63.9 35.8
hiperon	( )	1189.37	0,8x10^-10	+  ^0 +  ^+	51.6 48.3
hiperon  ^0	 ^0( 	1192.64	7.4x10^-20	 + γ	~100
hiperon	( )	1197.45	1,5x10^-10	+  ^-	~100
hiperon	( )	1314.9	2.9x10^-10	+  ^0	~100
hiperon	( )	1321.32	1,6x10^-10	+  ^-	~100
hiperon	( )	1672.45	0.8x10^-10	+  ^- +  ^0 +	23.6 8.6 67.8

Podział na grupy cząstek nie ma jedynie formalnego charakteru. Z podziałem tym wiążą się zasady zachowania, których nie znamy z fizyki klasycznej, a które dotyczą liczb leptonowych, liczby barionowej, izospinu i dziwności. Oczywiście znane nam zasady zachowania energii pędu i momentu pędu obowiązują także w skali mikroświata. Pamiętać trzeba jednak, że w mikroświecie ważną rolę odgrywają też inne prawa, które są zupełnie niezauważane w makro-skali. Na przykład, jak już wspominaliśmy, prawo zachowania energii lub pędu może być naruszone jeśli jego niespełnienie mieści się w granicach określonych przez zasadę nieoznaczoności.

---